CN107543814A - 一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物传感技术领域,更具体而言,涉及一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,该系统实现了原位、快速、高精度、高灵敏度、高重复性、低成本,并且在测量过程中便于操控。该系统包括检测激光、起偏器、生化反应池、微流注射泵、可调节狭缝、弹光调制器、检偏器、光电探测器、FPGA控制模块和控制电脑,生化反应池由半柱面镜与硅晶片采用PDMS间隔封装而成,并且还构建有流入通道和输出通道,两个通道均与微流注射泵联接,弹光调制器为45°双驱动对称结构弹光调制器,包括成45°角的双驱动压电晶体和弹光晶体,所述压电晶体通过LC谐振高压控制电路与FPGA控制模块连接。本发明主要应用在生物传感方面。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感技术领域,更具体而言,涉及一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,该系统是一种原位、快速、高精度、高灵敏度、低成本的生物传感系统。
背景技术
生物识别及结合活动的观察对医疗、制药和生物技术领域是至关重要的。绝大多数代谢和免疫效应是由生物分子如抗体、DNA、RNA、蛋白质或整个细胞之间的相互作用形成。配体生物分子与受体生物分子结合的信息可以为药物研发和准确检测疾病生物标志物等方面提供指导,并已被广泛应用于疾病诊断和病情监控。在过去的几十年中,各种传感平台被用于测定各种生物分子相互作用的专一性、动力学和亲和力以及分析物的浓度。这些生物传感器一般是基于放射免疫分析、荧光、电化学和表面等离子体共振(Surfaceplasmon resonance SPR)等技术研制的。
放射免疫和荧光生物传感器的体积小,灵敏度高,适用于定量化检测。但这两种生物传感器需要放射性元素或荧光分子等标记物。标记物分子通过阻断结合位点来干扰影响生物分子间的相互作用,并且目标合成标记产率和标记分子量的不一致性,以及荧光光漂白不均匀率会降低检测精度。此外,生物标记增加了检测的时间,并且还会增加仪器的成本和复杂度。电化学生物传感器能够根据电极表面由于生物分子相互作用所引起的电子性质变化直接发出的电信号,它实现了无标记快速检测。然而,高灵敏、生物相容的电化学传感器电极制造工艺复杂、昂贵。SPR生物传感器利用倏逝波探测金属薄膜基底附近的折射率的微小变化,进而实现分析其表面固定受体生物分子与溶液中待分析物生物分子之间的相互作用。SPR传感技术已成为生物传感领域的一个研究热点,并逐渐被商业化。为了进一步提高该生物传感器的灵敏度,贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振被应用于耦合修饰。此外,干涉技术和相位调制方法也被用来测定经SPR反射光的相位特性来提高SPR检测灵敏度,但使用这些方法使得SPR检测的动态范围受到限制。然而,环境的不稳定,如温度、压力等的波动,都会造成传感器假阳性信号和不可避免的噪声。现有生物传感器的这些问题限制了它们应用于低分子量、低浓度生物分子快速、免样品标记、高精度和高灵敏检测方面。
发明内容
为了克服上述已有生物传感技术及方法存在的不足,本发明提供一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,该系统实现了原位、快速、高精度、高灵敏度、高重复性、低成本,并且在测量过程中便于操控。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案为:
一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,包括检测激光、起偏器、生化反应池、微流注射泵、可调节狭缝、弹光调制器、检偏器、光电探测器、FPGA控制模块和控制电脑,所述检测激光经起偏器进入生化反应池,所述生化反应池由半柱面镜与硅晶片采用PDMS间隔封装而成,并且还构建有待测溶液的流入通道和废液输出通道,该输入通道和输出通道均与微流注射泵联接,生化反应池出来的光通过可调节狭缝进入弹光调制器,所述弹光调制器为45°双驱动对称结构弹光调制器,包括成45°角的双驱动压电晶体和弹光晶体,所述压电晶体通过LC谐振高压控制电路与FPGA控制模块连接,所述弹光调制器、检偏器、光电探测器、FPGA控制模块和控制电脑依次连接。
上述中,可调节狭缝能够遮挡直接从半柱面棱镜底面反射光的干扰,并且消除其它非生物膜层反射光的干扰。
所述半柱面镜为半柱面耦合棱镜,所述PDMS将硅晶片封装到半柱面耦合棱镜的底面。
上述中,半柱面耦合棱镜能够在较大范围内调节入射光入射生物分子互作用膜层的入射角,克服了入射光直接由空气入射到溶液其入射角超不过临界角的缺陷,提高了传感的灵敏度,并且实现生物分子在溶液环境中的检测分析。
所述FPGA控制模块包括FPGA单元和AD采集单元,所述压电晶体通过LC谐振高压控制电路与FPGA控制模块的FPGA单元连接,所述光电探测器通过AD采集单元与FPGA单元连接,所述FPGA单元与控制电脑连接。
所述硅晶片上固定有生物识别分子,待测溶液内有待测生物分子,该待测生物分子可与生物识别分子接触发生生化反应。
所述生物识别分子采用物理吸附或化学共价键链接固定在硅晶片上。
上述中,针对不同的待测生物分子,只需更换固定相对应的生物识别分子的硅晶片,操作方便简单,成本相对较低。
所述待测溶液中待测生物分子与硅晶片上生物识别分子的生化相互作用采用溶液环境层、生物分子相互作用层和硅晶片基底的典型三层膜结构等效光学模型。
所述45°双驱动对称结构弹光调制器提供驱动幅值相同,相位相差π/2的两个驱动电压,使弹光调制器工作在纯行波模式,调制相位幅值为一常量,而调制快轴以弹光调制器谐振工作频率的一半做圆周运动,并且调节驱动电压使弹光调制相位幅值取π/2。
所述FPGA控制模块的FPGA单元控制45°双驱动对称结构弹光调制器工作,并通过AD采集单元完成调制信号的倍频项提取;所述控制电脑接收FPGA单元传输上来的倍频项数据,解调出生物分子膜层的椭偏参量,最后完成生物分子层的厚度和表面质量密度的求解,进而实现生物分子相互作用的专一性、动力学和亲和力以及分析物的浓度分析,并实时显示和存储。
上述中,经膜层反射后调制光信号经AD采集单元进入FPGA单元中提取倍频项数据,传入控制电脑解调出膜层对应的椭偏参量ψ和Δ,并进一步计算生物分子层的厚度和表面质量密度等参数,进而实现生物分子相互作用的专一性、动力学和亲和力以及分析物的浓度等分析。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:
1)本发明基于45°双驱动对称结构弹光调制器,设计了原位、快速、免标记、高灵敏的生物传感系统。弹光调制器工作在纯行波模式,偏振调制速率快,无机械旋转部件,消除了旋转偏振片、波片和补偿器等偏振元件存在光速平移、调制速度慢等缺陷,系统稳定性好,能够对生物分子作用膜层的椭偏参量实现实时测量。
2)本发明采用半柱面耦合棱镜设计了微流生化反应池,生物识别分子首先固定在硅晶片基底上,然后采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)将硅晶片封装到半柱面棱镜底面,并构成反应池腔体,反应池体积小,样品用量少。此外,针对不同待测生物样品,仅需更替固定有相应生物识别分子的硅晶片,操作简便,成本相对较低。
3)本发明采用微流注射泵注入样品溶液,能够精确控制待测生物样品溶液的流速和流量。待测生物分子流入反应池与生物识别分子发生反应,实现了生物分子在液体环境中的相互作用检测。
4)本发明的弹光调制器工作控制和检测的光信号解调均是基于高速、高性能FPGA实现的。FPGA为弹光调制器提供两个幅值相等,相位相差π/2的驱动信号,使弹光调制器工作在纯行波模式。此外,FPGA还控制采集单元AD采率,将数字信号在其内部完成数字锁相信号处理,并解调出生物分子作用膜层的椭偏参量,最后输入计算机完成生物分子层膜厚、表面质量密度、浓度、结合动力曲线等参量的进一步解调、显示和存储。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为生物分子膜层等效光学模型示意图。
图中:1为检测激光、2为起偏器、3为生化反应池、31为待测溶液、32为待测生物分子、33为生物识别分子、34为硅晶片、4为微流注射泵、5为可调节狭缝、6为弹光调制器、7为检偏器、8为光电探测器、9为FPGA控制模块、10为控制电脑。
具体实施方式
下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示,一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,主要包括检测激光1、起偏器2、生化反应池3、微流注射泵4、可调节狭缝5、45°双驱动对称结构弹光调制器6、检偏器7、光电探测器8、FPGA控制模块9和控制电脑10。
首先,将起偏器2和检偏器7偏振轴调节与x轴分别成45°和0°,因此通过起偏器后的入射光可用Stokes参量表述为
其中,I0为检测激光通过起偏器后的总光强。
生化反应池3由半柱面耦合棱镜和硅晶片34采用PDMS间隔封装构成,其中生物识别分子33采用物理吸附、化学共价键链接等方法首先固定在硅晶片34上。生化反应池3还构建有待测溶液31流入通道和废液输出通道。两个通道均与微流注射泵4联接。首先向生化反应池3注入缓冲溶液,然后注入待测溶液31,让待测生物分子32与硅晶片4上的生物识别分子33反应,并实时测量观察。以下为生物分子相互作用传感的具体测量和解调方法。
待测量生物膜层样品的偏振特性可用Mueller矩阵描述为
其中,N=cos2ψ,S=sin2ψsinΔ,C=sin2ψcosΔ,ψ为入射线偏振光经样品反射后椭圆偏振光的p光和s光的幅值比,取0°到90°;Δ为入射线偏振光经样品反射后椭圆偏振光的p光和s光之间的相位差,取0°到360°。
为45°双驱动对称结构弹光调制器的两个驱动提供驱动幅值相等、相位相差π/2的驱动,使45°双驱动对称结构弹光调制器工作在纯行波模式,调制幅值为一常量,而调制快轴以弹光调制器谐振工作频率的一半做圆周运动。因此纯行波模式下该弹光调制的偏振特性可用Mueller矩阵描述为
其中,表示弹光调制快轴的方位角,f0为弹光调制器的谐振工作频率。δ为弹光调制器的相位调制幅值。一般对于45°双驱动对称结构的弹光调制器工作在纯行波模式时,调节弹光调制器的压电驱动器使弹光调制的相位幅值取π/2。所以,该工作模式下的弹光调制偏振Mueller矩阵改写为
检偏器的Mueller矩阵表示为
上述系统运用Stokes参量和Mueller矩阵传输的分析方法,较为直观方便。忽略检测激光传播过程中的光损失,经检偏器出射后,出射光的Stokes参量为
Sout=MAMPEMMSSin (6)
将(1)、(2)、(4)和(5)式带入(6)式,探测器能够探测到的总光强为Stokes第一分量
该调制光信号,经采集单元AD转化为数字量I(k)输入计算机中完成数字锁相提取直流项和倍频项。对于直流项,在FPGA直接累加求和便可得出
将数字信号分别与FPGA产生的一倍频正弦参考和余弦参考乘累加(其中Q为基频项整周期的采样点数),其余的交流信号被消除,并得到
其中,为一倍频信号与一倍频参考信号的相位差,其表示调制信号相对弹光驱动信号的延迟,该相位能够被精确标定。同理,将数字信号序列与二倍频正余弦参考序列和相乘,并累加求和可得
结合(8)、(9)和(10)式。可解调得到两个椭偏参量为
待测溶液31中的待测生物分子32与固定在硅晶片34上的生物识别分子33之间的相互作用,可等效为如图2所示的溶液环境层、生物分子相互作用层和硅晶片基底的典型三层膜结构等效光学模型,该膜层的椭偏特性可描述为
其中0、1和2分别表示溶液环境层、生物分子相互作用层和硅晶片基底,p和s分别代表入射光的p分量和s分量。其中为经过膜层的反射系数,λ为检测激光波长,d生物分子作用层厚度,N0和N1分别为溶液和生物分子膜层的折射率,φ0为入射角。其中膜层相互作用界面上的反射光系数可以描述为
通常针对650nm的半导体检测激光,溶液折射率取N0=1.33,生物分子层的折射率为N1=1.45,硅晶片的折射率为N1=3.8515-0.01646i,入射角取φ0=70°。因此,利用直接测量的膜层椭偏参量,结合(12)和(13)式可以求解出生物分子层的薄膜厚度。进一步利用de Feijter公式,还可求解出生物分子膜层的表面质量密度,其中dn/dc称之为生物分子折射/溶液增量,通常取0.190ml/g。
FPGA控制模块9的FPGA控制45°双驱动对称结构弹光调制器工作,并完成调制信号的倍频项提取。控制电脑10接收FPGA传输上来的倍频项数据,在上位机控制程序中完成生物分子膜层椭偏参量,厚度和表面质量密度的求解,并实时显示和存贮,并建立与FPGA的通信,最后构成具有原位、快速实时,高精度,高灵敏等优势,可视化和自动化的生物传感分析系统。
此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明,所属领域的技术人员应当理解;依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,其特征在于:包括检测激光(1)、起偏器(2)、生化反应池(3)、微流注射泵(4)、可调节狭缝(5)、弹光调制器(6)、检偏器(7)、光电探测器(8)、FPGA控制模块(9)和控制电脑(10),所述检测激光(1)经起偏器(2)进入生化反应池(3),所述生化反应池(3)由半柱面镜与硅晶片(34)采用PDMS间隔封装而成,并且还构建有待测溶液(31)的流入通道和废液输出通道,该输入通道和输出通道均与微流注射泵(4)联接,经生化反应池(3)反射后的光通过可调节狭缝(5)进入弹光调制器(6),所述弹光调制器(6)为45°双驱动对称结构弹光调制器,包括成45°角的双驱动压电晶体和弹光晶体,所述压电晶体通过LC谐振高压控制电路与FPGA控制模块(9)连接,所述弹光调制器(6)、检偏器(7)、光电探测器(8)、FPGA控制模块(9)和控制电脑(10)依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,其特征在于:所述半柱面镜为半柱面耦合棱镜,所述PDMS将硅晶片(34)封装到半柱面耦合棱镜的底面。
3.根据权利要求1所述的一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,其特征在于:所述FPGA控制模块(9)包括FPGA单元和AD采集单元,所述压电晶体通过LC谐振高压控制电路与FPGA控制模块(9)的FPGA单元连接,所述光电探测器(8)通过AD采集单元与FPGA单元连接,所述FPGA单元与控制电脑(10)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,其特征在于:所述硅晶片(34)上固定有生物识别分子(33),待测溶液(31)内有待测生物分子(32),该待测生物分子(32)可与生物识别分子(33)接触发生生化反应。
5.根据权利要求4所述的一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,其特征在于:所述生物识别分子(33)采用物理吸附或化学共价键链接固定在硅晶片(34)上。
6.根据权利要求4所述的一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,其特征在于:所述待测溶液(31)中待测生物分子(32)与硅晶片(34)上生物识别分子(33)的生化相互作用采用溶液环境层、生物分子相互作用层和硅晶片基底的典型三层膜结构等效光学模型。
7.根据权利要求1所述的一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,其特征在于:所述45°双驱动对称结构弹光调制器提供驱动幅值相同,相位相差π/2的两个驱动电压,使弹光调制器(6)工作在纯行波模式,调制相位幅值为一常量,而调制快轴以弹光调制器(6)谐振工作频率的一半做圆周运动,并且调节驱动电压使弹光调制相位幅值取π/2。
8.根据权利要求1所述的一种基于45°双驱动对称结构弹光调制的生物传感系统,其特征在于:所述FPGA控制模块(9)的FPGA单元控制45°双驱动对称结构弹光调制器工作,并通过AD采集单元完成调制信号的倍频项提取;所述控制电脑(10)接收FPGA单元传输上来的倍频项数据,解调出生物分子膜层的椭偏参量,最后完成生物分子层的厚度和表面质量密度的求解,进而实现生物分子相互作用的专一性、动力学和亲和力以及分析物的浓度分析,并实时显示和存储。
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